CN108106373B - 一种微波真空冷冻干燥装置的使用方法 - Google Patents

一种微波真空冷冻干燥装置的使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微波真空冷冻干燥装置及其使用方法，装置主要由微波加热系统、冻结系统、真空系统、制冷系统与控制系统组成，通过微波器加热、压缩机制冷冷冻、冻干仓干燥，真空泵抽真空，实现物料的微波真空冷冻干燥；可以较好地解决干燥过程中物料易出现外焦内生的现象，克服了加热周期长，耗能大，维护和维修费用高等问题，避免了传统干燥脱水技术带来的物料变色、变味、营养成分损失大、复水性差等缺陷，具有保持原物料形、色、香、味、营养不变、复水性好、重量轻与可常温贮藏等优点。

Description

一种微波真空冷冻干燥装置的使用方法
技术领域
本发明属于分离技术领域，主要应用于制药、食品、化工、蔬菜与海产品加工等领域中物料中水的脱除和分离，具体涉一种微波真空冷冻干燥装置及其使用方法。
背景技术
真空冷冻干燥，是使物料中的大部分水通过冷冻结为冰，然后提供低温热源，在真空状态下，使冰直接升华为水蒸气而使物料脱水和干燥的过程。由于冷冻干燥在低温下进行，可使物料避免干燥过程的热损害和氧化损害；水分在冻结状态下升华脱除，物料保持形状，没有水的流动，物料组分损失较少。一般的冷冻干燥机的低温热源多为热风循环、蒸汽加热、电加热等方法进行加热干燥，其热风循环、蒸汽、电加热等对物料是从外向内进行加热，在加热过程中的物料易出现外焦内生的现象，同时加热周期长，耗能大，维护和维修费用高等。
真空微波干燥结合了真空干燥和微波干燥的优点，使物料能快速被干燥，但其过快的干燥速度会使物料等产生较大的变形，影响产品的外观品质，将冻干和真空微波干燥联合起来，取长补短，可提高产品品质，降低能耗。产品品质在色泽、营养成分和复水性能等方面都接近冻干产品，干燥时间可缩短。
目前，冻干技术还有许多尚待解决的问题，如妨碍冻干技术广泛应用的最大障碍是生产成本高，因此如何缩短冻干周期进行能源的综合利用、强化装置的功能，降低装置的耗能，降低设备造价是需要解决的重要课题。
发明内容
本发明旨在提供一种微波真空冷冻干燥装置及其使用方法，较好地解决干燥过程中物料易出现外焦内生的现象，同时加热周期长，耗能大，维护和维修费用高等问题，避免了传统干燥脱水技术带来的物料变色、变味、营养成分损失大、复水性差等缺陷，具有保持原物料形、色、香、味、营养不变、复水性好、重量轻与可常温贮藏等优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微波真空冷冻干燥装置及其使用方法，依据本发明内容所述的采用如下微波真空冷冻干燥方法，发明设计的微波真空冷冻干燥装置示意图如图1所示，装置组成主要有：微波加热系统、冻结系统、真空系统、制冷系统与控制系统组成；
(1)微波加热系统：发射功率连续可调的微波发生器，采用微波辐射加热，固定在微波仓的侧壁，环绕冻干仓均匀交叉排列，由PLC控制系统控制加热功率；
(2)冻结系统：由冻干仓、捕水器与屏蔽过流板组成，冻干仓与捕水器上下连体，其中间由屏蔽过流板相隔，允许水蒸气自由通过，同时可防止微波进入捕水器；冻干仓可采用圆筒形或方形，圆筒制造容易，方形可用的空间大；冻干仓由非金属透波材料例如聚四氟乙烯、玻璃或陶瓷等制成，既能保证微波的进入，降低微波损耗，又具有一定的强度，在高真空度的条件下不会产生微波泄露；冻干仓下部设置有多层能水平旋转的转盘；
(3)真空系统：由罗茨泵与真空泵组成，抽取真空，也能能抽吸少量水蒸汽；
(4)制冷系统：由制冷机组与冷冻盘管构成，用水蒸汽捕集器(亦称冷阱)；
(5)控制系统：由PLC控制系统、相应程序和相应的测控仪表，对物料真空冷冻干燥装置进行微波功率、压力与温度的自动控制。
一种微波真空冷冻干燥装置及其使用方法，依据本发明内容所述的微波真空冷冻干燥装置，采用如下的操作步骤和方法：
1.装置准备
(1)物料物性分析：物料性质、所需的最低温度、保温时间、含水量高低，特殊气味的物体、要求的急速冷冻速度、升华温度范围及最佳温度等；
(2)物料预处理：干燥前，将物料进行预处理，使其形状大小一致，松散平铺使厚度一致，一般厚度为2～30mm；
(3)物料要放在转盘上，不要互相叠压，物料与转盘不要有间隔；
(4)开机前，要检查制冷系统是否正常，真空泵油面是否在两条红线之间；
(5)物料干燥完成后，请关掉总电源，完全打开真空阀，同时放掉真空泵里的水，打开真空泵放油阀，首先放出的是真空泵里的水，直到放出油，然后从加油孔处补加真空泵油到两个红线之间的位置上；
2.微波加热系统
发射功率连续可调的微波发生器固定在微波仓的侧壁，环绕冻干仓均匀交叉排列，与PLC控制系统相连并由其控制，在保证发射微波频率不变的情况下，可连续调节微波的发射功率；
3.冻结系统
(1)转盘的转速的设定与控制；
(2)冷却速度的确定；
(3)冷冻到设定最低温度之后保持时间的确定；
(4)板层的温度设定，要随时监测物料颜色的变化，随时调整冻干仓设定温度，在升华阶段一般应保持20℃～-10℃，10～18h；完全干燥要将温度升到0℃以上，并保持4～6h；控制转盘的温度在升华旺盛的干燥初期应控制在70～80℃，干燥中期在60℃，干燥后期在40～50℃
(5)控制物料装盘量和厚度，冻干前要根据捕水器的捕水能力，确定放入合适量的物料，确定真空冷冻干燥最佳物料厚度、产品得率、含水量及感官性能指标；
4.真空系统
(1)开启时间的设定；
(2)压力调节系统的压力设定，满足冻干需求的合适范围0-100Pa内，避免辉光放电现象发生；
(3)真空系统时间的设定与控制；
(4)物料干燥完成时，冻干仓温度要升到(降到)室温，关闭真空泵与冻干仓，冷凝室之间的阀门，再关掉真空泵，慢慢地打开真空阀，切不可一下全打开，以免干燥样品被吹走；
(5)设定适当的真空度，升华干燥阶段要根据捕水器温度优化最佳的真空度；冻干机的真空度受捕水器温度和真空泵性能决定，在升华干燥阶段，一般冷阱温度越低、真空度越高可促进水汽凝结，提高冻干速率；
5.制冷系统
(1)制冷压缩机开启时间的设定；
(2)制冷温度的设定；
(3)喷淋冷却塔的开启；
(4)冷却的器温度的设定与控制；
(5)控制适宜的预冻速度；
6.控制系统
(1)控制系统流程与程序设置；
(2)物料的冻干过程中微波功率自动调节的变化模式的设定；
(3)冻干仓压力的变化模式和变化幅度的设定；
(4)压力与微波功率的相对变化配合模式的设定。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种微波真空冷冻干燥装置及其使用方法，可以较好地解决干燥过程中物料易出现外焦内生的现象，克服了加热周期长，耗能大，维护和维修费用高等问题，避免了传统干燥脱水技术带来的物料变色、变味、营养成分损失大、复水性差等缺陷，具有保持原物料形、色、香、味、营养不变、复水性好、重量轻与可常温贮藏等优点。
附图说明
图1为本发明的装置组成示意图；
图中：1.喷淋冷却塔，2.喷淋盘管，3.喷淋分布器，4.喷淋水阀，5.冷却进水阀，6.屏蔽过流板，7.冻干仓，8.微波发生器，9.真空阀，10.PLC控制系统，11.罗茨泵，12.真空泵，13.冷却出水阀，14.捕水器，15.冷冻盘管，16.冷冻阀，17.压缩机，18.冷却器，19.过滤器，20.喷淋水泵，21.冷却水槽；图中虚线框内为PLC控制系统及其控制的设备、阀门和测控元器件；WI、PI|、TI分别为功率、压力和温度测量和控制变送显示传感器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
一种微波真空冷冻干燥装置，如图1所示，所述装置主要由微波加热系统、冻结系统、真空系统、制冷系统与控制系统组成；所述微波加热系统，由发射功率连续可调的微波发生器8和PLC控制元器件组成，采用微波辐射加热，固定在冻干仓7的侧壁，环绕冻干仓7均匀交叉排列，由PLC控制系统10控制加热功率；所述冻结系统，由冻干仓7、捕水器14与屏蔽过流板6组成，冻干仓7与捕水器14上下连体，其中间由屏蔽过流板6相隔，允许水蒸气自由通过，同时可防止微波进入捕水器14；冻干仓7可采用圆筒形或方形，圆筒制造容易，方形可用的空间大；冻干仓7由聚四氟乙烯、玻璃或陶瓷非金属透波材料制成，既能保证微波的进入，降低微波损耗，在高真空度的条件下不会产生微波泄露；冻干仓7设置有多层能水平旋转的转盘；制冷系统与冻干仓7和真空系统及捕水器14通过管道相连，通过真空阀9可以控制它们之间的开闭；所述真空系统，由罗茨泵11与真空泵12组成，抽取真空，也能能抽吸少量水蒸汽；所述制冷系统，由压缩机17、捕水器14与冷冻盘管15构成；所述控制系统，由PLC控制器、相应程序和相应的测控仪表组成，对物料真空冷冻干燥装置进行微波发生器8微波功率、冻干仓7与捕水器14的压力与温度进行自动控制。
所述一种微波真空冷冻干燥装置及其使用方法，采用如下的操作步骤和方法：
1.装置准备
(1)物料物性分析：物料性质、所需的最低温度、保温时间、含水量高低，特殊气味的物料、要求的急速冷冻速度、升华温度范围及最佳温度等；
(2)物料预处理：干燥前，将物料进行预处理，使其形状大小一致，松散平铺使厚度一致，一般厚度不大于2～30mm；
(3)物料要放在转盘上，不要互相叠压，物料与转盘不要有间隔；
(4)开机前，要检查制冷系统是否正常，真空泵12油面是否在两条红线之间；
(5)物料干燥完成后，请关掉总电源，完全打开真空阀9，同时放掉真空泵12里的水，打开真空泵12放油阀，首先放出的是真空泵里的水，直到放出油，然后从加油孔处补加真空泵油到两个红线之间的位置上；
2.微波加热系统
(1)发射功率连续可调的微波发生器8固定在冻干仓7的侧壁，环绕冻干仓7均匀交叉排列，与PLC控制系统10相连并由其控制，在保证发射微波频率不变的情况下，可连续调节微波的发射功率；
3.冻结系统
(1)冻干仓7转盘的转速的设定与控制，一般为3-20rpm，由PLC控制系统10控制；
(2)冷却速度的确定；要随时监测物料颜色的变化，随时调整冻干仓7设定温度，在升华阶段一般应保持20℃～-10℃，10～18h；完全干燥要将温度升到0℃以上，并保持4～6h；
(3)冷冻到设定最低温度之后保持时间的确定，1～2h；
(4)转盘的温度设定，控制转盘加热温度在升华旺盛的干燥初期应控制在70～80℃，干燥中期在60℃，干燥后期在40～50℃
(5)控制物料装盘量和厚度，冻干前要根据捕水器14的捕水能力，确定放入合适量的物料，确定真空冷冻干燥最佳物料厚度、产品得率、含水量及感官性能指标，视物料具体情况分析确定；
4.真空系统
(1)开启时间的设定，视物料具体情况与真空系统系统的实能开与效果分析确定；
(2)真空系统的压力设定，升华干燥阶段要根据捕水器14温度优化最佳的真空度；冻干机的真空度受捕水器14温度和真空泵12性能影响，在升华干燥阶段，一般捕水器14温度越低、真空度越高可促进水汽凝结，提高冻干速率；满足冻干需求的合适范围0-100Pa内，避免辉光放电现象发生；
(3)真空系统时间的设定与控制，视物料具体情况与真空系统系统的实能开与效果分析确定，由PLC控制系统10控制；
(4)物料干燥完成时，冻干仓7温度要升到(降到)室温，关闭真空泵12与冻干仓7之间的阀门，再关掉真空泵12，慢慢地打开真空阀9，以免干燥样品被吹走；
5.制冷系统
(1)制冷压缩机开启时间的设定，根据具体的干燥流程，由PLC控制系统10控制；
(2)制冷温度的设定，根据具体的干燥流程与物料性质，由PLC控制系统10控制；
(3)喷淋冷却塔的开启，根据具体的干燥流程，由PLC控制系统10控制；
(4)冷却器温度的设定与控制；
(5)控制适宜的预冻速度；
6.控制系统
(1)控制系统流程与程序设置；
(2)物料的冻干过程中微波功率自动调节的变化模式的设定；
(3)冻干仓压力的变化模式和变化幅度的设定；
(4)压力与微波功率的相对变化配合模式的设定；
本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种微波真空冷冻干燥装置的使用方法，其特征是，
所述装置由微波加热系统、冻结系统、真空系统、制冷系统与控制系统组成；所述微波加热系统，由发射功率连续可调的微波发生器和PLC控制系统组成，采用微波辐射加热，固定在冻干仓的侧壁，环绕冻干仓均匀交叉排列，由PLC控制系统控制加热功率；所述冻结系统，由冻干仓、捕水器与屏蔽过流板组成，捕水器中设置有冷冻盘管，冻干仓与捕水器上下连体，其中间由屏蔽过流板相隔，允许水蒸气自由通过，同时可防止微波进入捕水器；冻干仓可采用圆筒形或方形；冻干仓由聚四氟乙烯、玻璃或陶瓷非金属透波材料制成，既能保证微波的进入，降低微波损耗，在高真空度的条件下不会产生微波泄露；冻干仓设置有多层能水平旋转的转盘；制冷系统与冻干仓和真空系统及捕水器通过管道相连，通过真空阀可以控制它们之间的开闭；所述真空系统，由罗茨泵与真空泵组成，抽取真空，也能抽吸少量水蒸汽；所述制冷系统，由压缩机、捕水器与冷冻盘管构成；喷淋冷却塔中设置有喷淋盘管，喷淋冷却塔下方设置冷却水槽，冷却水槽中设置有喷淋水泵，喷淋水泵通过管道与冷却器进水口相连，管道上还设置有过滤器，冷却器出水口分别与喷淋冷却塔顶端的喷淋分布器、捕水器连接，捕水器的出水口与冷却水槽连接；
采用如下的操作步骤和使用方法：
(1)装置准备
①物料物性分析：物料性质、所需的最低温度、保温时间、含水量高低，特殊气味的物体、要求的急速冷冻速度、升华温度范围及最佳温度；
②物料预处理：干燥前，将物料进行预处理，使其形状大小一致，松散平铺使厚度一致，厚度不大于20mm；
③物料要放在转盘上，不要互相叠压，物料与转盘不要有间隔；
④开机前，要检查制冷系统是否正常，真空泵油面是否在两条红线之间；
⑤物料干燥完成后，请关掉总电源，完全打开真空阀，同时放掉真空泵里的水，打开真空泵放油阀，首先放出的是真空泵里的水，直到放出油，然后从加油孔处补加真空泵油到两个红线之间的位置上；
(2)微波加热系统
发射功率连续可调的微波发生器固定在冻干仓的侧壁，环绕冻干仓均匀交叉排列，与PLC控制系统相连并由其控制，在保证发射微波频率不变的情况下，可连续调节微波的发射功率；
(3)冻结系统
①转盘的转速的设定与控制；
②冷却速度的确定；
③冷冻到设定最低温度之后保持时间的确定；
④转盘温度设定，要随时监测物料颜色的变化，随时调整冻干仓设定温度，在升华阶段应保持-20℃～-10℃，10～18h；完全干燥要将温度升到0℃以上，并保持4～6h；控制转盘的加热温度在升华旺盛的干燥初期控制在70～80℃，干燥中期在60℃，干燥后期在40～50℃；
⑤控制物料装盘量和厚度，冻干前要根据捕水器的捕水能力，确定放入合适量的物料，确定真空冷冻干燥最佳物料厚度、产品得率、含水量及感官性能指标；
(4)真空系统
①开启时间的设定；
②压力调节系统的压力设定，满足冻干需求的合适范围0-100Pa内，避免辉光放电现象发生；
③真空系统时间的设定与控制；
④物料干燥完成时，冻干仓温度要恢复至室温，关闭真空泵与冻干仓之间的阀门，再关掉真空泵，打开真空阀，切不可一下全打开，以免干燥样品被吹走；
⑤设定真空度，升华干燥阶段要根据捕水器温度优化最佳的真空度；冻干机的真空度受捕水器温度和真空泵性能决定，在升华干燥阶段，冷阱温度越低、真空度越高可促进水汽凝结，提高冻干速率；
(5)制冷系统
①制冷压缩机开启时间的设定；
②制冷温度的设定；
③喷淋冷却塔的开启；
④冷却器温度的设定与控制；
⑤控制预冻速度；
(6)控制系统
①控制系统流程与程序设置；
②物料的冻干过程中微波功率自动调节的变化模式的设定；
③冻干仓压力的变化模式和变化幅度的设定；
④压力与微波功率的相对变化配合模式的设定。
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